Трембич Артем Васильевич
студент, магистр
ГВУЗ « Украинский государственный химико-технологический университет»
г. Днепр
Булычов Владимир Викторович
канд. техн. наук, доцент
ГВУЗ « Украинский государственный химико-технологический университет»
г. Днепр
Коломиец Елена Викторовна
канд. техн. наук, ассистент
ГВУЗ « Украинский государственный химико-технологический университет»
г. Днепр
Аннотация
В работе представлено разработанную для условий соответствующих топочному устройству котельных агрегатов физическую и математическую постановку задачи тепломассопереноса при зажигании частиц водоугольного топлива.
Ключевые слова: тепломассоперенос, водоугольное топливо, частичка топлива, математическая модель, физическая модель, начальные условия, граничные условия.
На данный момент водоугольное топливо (ВУТ) является перспективным видом топлива из-за его высоких теплофизических качеств при использовании низкосортных углей, возможности транспортировки на больншие расстояния и длительному сроку хранения. Но условия эффективного зажигания данных углей пока в полной мере не изучены. Одной из важнейших проблем технологии использования ВУТ является выбор концентраций основных компонентов (уголь и вода), обеспечивающих технологичность, минимальные затраты на процессы транспорта, хранения, топливоподготовки, полноту сгорания и устойчивое воспламенение.
Цель данной работы – разработать математическую модель для изучения темломасопереноса при зажигании частички ВУТ условиях соответствующих топочному устройству котельных агрегатов.
Рассмотрим процесс зажигания частички ВУТ. Нагрев поверхности частицы инициирует процесс испарения влаги. По мере прогрева ВУТ фронт испарения продвигается от поверхности вглубь частицы. Температура на границе фронта испарения зависит от интенсивности испарения. В результате формируется слой пористого сухого топлива, температура в каждой точке которого с течением времени повышается. Размер пор определяется соотношением массовых долей системы «вода-пар». Испарившаяся влага фильтруется через пористый углеродистый каркас. Водяной пар вступает в эндотермическое химическое взаимодействие с углем (остающимся после завершения процесса влагоудаления). При достижении на поверхности частицы условия Тп ≥ Тнр (Тп – температура поверхности) в частице начинается разложение органической части топлива с выделением летучих. По мере дальнейшего прогрева и роста температуры в каждой точке частицы фронт (Т(r,t) = Тнр) продвигается вглубь топлива. В итоге формируется структура, которую можно разделить на три характерные зоны (рисунок 1): (I) – влагонасыщенное топливо (исходное состояние); (II) – «обезвоженного» уголь, температура которого меньше Тнр; (III) – сухой уголь в стадии термического разложения (Т(м) ≥ Тнр).
Рис.1 Температурные зоны внутри частички ВУТ
Частица водоугольного топлива, как правило, представляет собой неправильный многогранник, число граней которого изменяется случайным образом в зависимости от многих факторов (марки угля, содержания минеральных составляющих, технологии измельчения исходного твердого топлива, условий хранения и др.). По этим причинам моделирование реальной конфигурации частицы ВУТ крайне затруднительно. Но одним из возможных вариантов является частица в форме сферы. Вероятность такой конфигурации не больше и не меньше всех остальных, поэтому ее можно считать достаточно типичной и использовать при постановке задачи.
Принимались следующие условия зажигания:
- Теплота, выделяемая в результате реакции окисления продуктов термического разложения и газификации, превышает поступающую из внешней среды.
- На границе системы «частица ВУТ – высокотемпературная среда» выполняется условие
Система нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных для системы «частица ВУТ - высокотемпературная среда», соответствующая выше сформулированной физической модели, имеет следующий вид:
Уравнение энергии для исходной (влагонасыщенной) части топлива:
Уравнение энергии для «обезвоженной» части ВУТ:
Уравнение химической кинетики для органической части топлива:
Уравнение фильтрации для водяных паров и газообразных продуктов термического разложения [154-156]:
На границе раздела системы «исходный ВУТ сухой углеродистый агломерат» выполняется граничное условие 4-го рода:
Система уравнений (2.2.1-2.2.5) решалась при следующих краевых условиях и замыкающих соотношениях:
По аналогии с [1] скорость обратимой реакции С+Н2О=СО+ Н2–118,485МДж вычислялась из следующего выражения:
Скорость пиролиза рассчитывалась с использованием соотношения [2]:
Зажигание водоугольного топлива – гетерогенный процесс [3], скорость которого определяется кинетикой воспламенения смеси продуктов термического разложения и реакции взаимодействия водяного пара с углеродом. Принято, что на поверхности частицы протекают следующие реакции:
Для определения скоростей этих реакций использовалась зависимость [2]:
Уравнение баланса компонент химических реакций окисления:
Плотность газообразных компонентов ( ) рассчитывалась из уравнения состояния:
Скорость фильтрации пара через пористую структуру определялась по закону Дарси:
Разработанная математическая модель позволит исследовать процесс зажигания частички ВУТ в условиях соответствующих топочному устройству котельных агрегатов и влияние на этот процесс различных факторов.
Литература
1. Гремечкин В.М., Мазанченко Е.П., Газификация углерода в парах воды // Химическая фізика. 2009. – Т.28, №8. – С 36 – 38.
2. Франк-Каменецкий Д.А. Дифузия и теплопередача в химической кинетике (3-е издание). - М.: Наука. – 1987.
3. Демягин Г.Н. Вопросы теории воспламенения и горения распыленной водоугольной суспензии // в кн..: Кинетика и аэродинамика процес сов горения топлива. – М.: Наука, 1969. – С. 111 -127.
